1_第一章 半导体器件 -半导体场效应管
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半导体基础知识
第一章、半导体器件
1、为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？
制成本征半导体是为了讲自然界中的半导体材料进行提纯，然后人工掺杂，通过控制掺杂的浓度就可以控制半导体的导电性，以达到人们的需求
2、为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？
导致半导体性能温度稳定性差的主要原因有二：β
（1）禁带宽度与温度有关（一般，随着温度的升高而变窄）；（2）少数载流子浓度与温度有关（随着温度的升高而指数式增加）。
多子。
3、为什么半导体器件有最高工作频率？
这是因为半导体器件的主要组成单元是PN结，PN结的显著特征是单向导电性，因为PN结的反向截止区是由耗尽层变宽导致截止，而这个过程是需要一定的时间的，如果频率太高导致时间周期小于截止时间就可能造成PN结失去单向导电性，导致半导体器件不能正常工作，所以半导体器件有最高工作频率的限制。
4、整流，是指将交流电变换为直流电称为AC/DC变换，这正变换的功率流向是由电源传向负载，称之为整流。
5、为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？
虽然集电结是反偏的，虽然基极是开路的，但是，晶体管芯，是块半导体材料。
半导体材料，又不是绝缘体，加上电压，就有微弱的电流，这很正常。
从集电区向基区出现的“反向饱和电流Icbo”，在基极没有出路，就流向发射极了。
这一流动，就形成了一个Ib。
这个Ib，就引出了一个贝塔倍的Ic; 这个Ib和Ic之和，就是穿透电流Iceo，等于(1+贝塔)Icbo。
6、
展开。
半导体基本知识
五、PN结的电容效应
PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。
(1) 势垒电容Cb
表征耗尽层内电荷量的变化。
(2)扩散电容Cd 表征耗尽层外中性区(P区和N区)内电荷量的变化。
(1) 势垒电容Cb
PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生 变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电 相同，其等效电容称为势垒电容Cb。
当PN结外加正向电压，且u >>UT时，
qu kT
即i随u按指数规律变化；
当PN结外加反向电压，且| u |>> UT时，
当反向电压超过一定数值后， 反向电流急剧增加，称为反向 击穿。 击穿：齐纳击穿、雪崩击穿
①齐纳击穿
掺杂浓度越高，耗尽层宽度窄
不大的反向电压就可在耗尽层形成很强的电场，而直接 破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子—空 穴对，致使电流急剧增大。
(2) 扩散电容Cd
PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子 的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过 程，其等效电容称为扩散电容Cd。 外加正向电压一定时，靠近耗尽层交界面处的非平 衡少子浓度高，而远离交界面的地方浓度低，浓度自 高到低逐渐衰减，直至零。形成一定的浓度梯度（浓 度差），形成扩散电流。
空穴 空间电荷区 耗尽层 电子
P区
内电场
N区
二、 PN结的单向导电性
在 PN结的两端外加电压，破外原来的平衡状态。
①外加正向电压
电源正极接PN结的P端，负极接N端
P区的电位高于N区的电位，称为正向偏置或正向接法。
②外加反向电压 电源负极接PN结的P端，正极接N端
(1)
PN结加正向电压时的导电情况
第一章 微电子器件 半导体物理课件
第一章 半导体中的电子状态 基本关系式 电子有效质量
1 d 2 Ec 1 2 2 dk k k0 mn
1 dE 电子运动速度 dk
基本图形 • • • • 半导体、绝缘体、导体能带示意图 半导体本征激发能带示意图 硅半导体能带结构图 砷化镓半导体能带结构图
基本图示 • 一定温度下，载流子迁移率与杂质浓度的关系 • 一定掺杂浓度下，载流子迁移率与温度的关系 • 载流子漂移速度与电场关系 • 砷化镓载流子漂移速度与电场关系
第五章 非平衡半导体
一、基本关系式
导带电子浓度（包含非平衡导带电子）n n n0 价带空穴浓度（包含非平衡价带空穴）
表面复合率 U s s p s 电子扩散电流密度 J n 扩 空穴扩散电流密度 J p 扩 电子漂移电流密度 J n 空穴漂移电流密度
d n x qDn dx
d p x qD p dx
漂
q(n0 n)n E
q( p0 p) p E
半导体空间电荷密度方程 0 x q p0 x nDj x n0 x p Ai x
基本概念
1、状态密度——能带中能量E附近单位能量间隔内的电子状态数
2、费米统计分布——半导体电子服从的统计分布 3、少子浓度——半导体单位体积中的少子数 4、多子浓度——半导体单位体积中的多子数 5、非简并半导体——载流子分布从费米分布蜕化化服从波尔兹曼统计分布的半导体 6、简并半导体—掺杂浓度很高，使费米能级非常接近、甚至进入导带或价带的半导体 7、载流子冻析效应——温度很低时，杂质不能完全电离，电子或空穴被杂质束缚
基本关系式 漂移电流密度 J (nqn pq p ) E
1 d 2 Ec 1 2 2 dk k k0 mn
1 dE 电子运动速度 dk
基本图形 • • • • 半导体、绝缘体、导体能带示意图 半导体本征激发能带示意图 硅半导体能带结构图 砷化镓半导体能带结构图
基本图示 • 一定温度下，载流子迁移率与杂质浓度的关系 • 一定掺杂浓度下，载流子迁移率与温度的关系 • 载流子漂移速度与电场关系 • 砷化镓载流子漂移速度与电场关系
第五章 非平衡半导体
一、基本关系式
导带电子浓度（包含非平衡导带电子）n n n0 价带空穴浓度（包含非平衡价带空穴）
表面复合率 U s s p s 电子扩散电流密度 J n 扩 空穴扩散电流密度 J p 扩 电子漂移电流密度 J n 空穴漂移电流密度
d n x qDn dx
d p x qD p dx
漂
q(n0 n)n E
q( p0 p) p E
半导体空间电荷密度方程 0 x q p0 x nDj x n0 x p Ai x
基本概念
1、状态密度——能带中能量E附近单位能量间隔内的电子状态数
2、费米统计分布——半导体电子服从的统计分布 3、少子浓度——半导体单位体积中的少子数 4、多子浓度——半导体单位体积中的多子数 5、非简并半导体——载流子分布从费米分布蜕化化服从波尔兹曼统计分布的半导体 6、简并半导体—掺杂浓度很高，使费米能级非常接近、甚至进入导带或价带的半导体 7、载流子冻析效应——温度很低时，杂质不能完全电离，电子或空穴被杂质束缚
基本关系式 漂移电流密度 J (nqn pq p ) E
精品文档-模拟电子技术(江晓安)(第三版)-第1章
第一章 半导体器件
图 1 – 5 P型半导体的共价键结构
第一章 半导体器件
1.２ＰＮ 结
1.2.1 异型半导体接触现象 在Ｐ型和Ｎ型半导体的交界面两侧, 由于电子和空穴的
浓度相差悬殊, 因而将产生扩散运动。 电子由Ｎ区向Ｐ区扩 散； 空穴由Ｐ区向Ｎ区扩散。 由于它们均是带电粒子(离 子), 因而电子由Ｎ区向Ｐ区扩散的同时, 在交界面Ｎ区剩下 不能移动(不参与导电)的带正电的杂质离子； 空穴由Ｐ区向 Ｎ区扩散的同时, 在交界面Ｐ区剩下不能移动(不参与导电) 的带负电的杂质离子, 于是形成了空间电荷区。 在Ｐ区和Ｎ 区的交界处形成了电场(称为自建场)。 在此电场 作用下, 载流子将作漂移运, 其运动方向正好与扩散运动方 向相反, 阻止扩散运动。 电荷扩散得越多, 电场越强, 因而 漂移运动越强, 对扩散的阻力越大。 当达到平衡时, 扩散运 动的作用与漂移运动的作用相等, 通过界面的载流子总数为 ０, 即ＰＮ结的电流为０。 此时在ＰＮ区交界处形成一个缺 少载流子的高阻区, 我们称为阻挡层(又称为耗尽层)。 上述 过程如图１－６(ａ)、 (ｂ)所示。
所谓“齐纳”击穿, 是指当ＰＮ结两边掺入高浓度的杂 质时, 其阻挡层宽度很小, 即使外加反向电压不太高(一般为 几伏), 在ＰＮ结内就可形成很强的电场(可达2×106 V/cm), 将共价键的价电子直接拉出来, 产生电子-空穴对, 使反向电 流急剧增加, 出现击穿现象。
第一章 半导体器件
对硅材料的ＰＮ结, 击穿电压ＵＢ大于７V时通常是 雪崩击穿, 小于４V时通常是齐纳击穿；ＵＢ在４V和７V之间 时两种击穿均有。由于击穿破坏了ＰＮ结的单向导电特性, 因而一般使用时应避免出现击穿现象。
CT
dQ dU
S W
第一章 半导体器件
模拟电子课件第一章_半导体材料及二极管
–10 0 0.2 0.4
–20
I/uA
锗管的伏安特性
图 二极管的伏安特性
ID
UD
-
UD / V
34
1.正偏伏安特性
当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。，
相应的电压叫死区电压。
死区电压： 硅二极管为0.5V左右 锗二极管为0.1V左右
i/mA 30
当正向电压超过死区电压后，二极 管导通, 电流与电压关系近似指数关 系。
42
3.二极管的其它主要参数
➢最大平均整流电流 : I F 允许通过的最大正向平均电流 ➢最高反向工作电压 : 最V大R 瞬时值，否则二极管击穿
1
18
半导体中某处的扩散电流 主要取决于该处载流子的浓 度差（即浓度梯度），而与 该处的浓度值无关。即扩散 电流与载流子在扩散方向上 的浓度梯度成正比，浓度差 越大，扩散电流也越大。
图1.6 半导体中载流子的浓度分布
1
19
即:某处扩散电流正比于浓度分布曲线上该点处的斜率
和。
dn( x) dx
dp ( x) dx
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，即构成 N 型半导体 (或称电子型半导体)。
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
1
10
原来晶格中的某些硅原子将 被杂质原子代替。 杂质原子与周围四个硅原子 组成共价键时多余一个电子。 这个电子只受自身原子核吸引， 在室温下可成为自由电子。
5价的杂质原子可以提供电子， 所以称为施主原子。
Problem: N型半导体是否呈电中性？
1
+4
+4
+5
+4
+4
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I/uA
锗管的伏安特性
图 二极管的伏安特性
ID
UD
-
UD / V
34
1.正偏伏安特性
当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。，
相应的电压叫死区电压。
死区电压： 硅二极管为0.5V左右 锗二极管为0.1V左右
i/mA 30
当正向电压超过死区电压后，二极 管导通, 电流与电压关系近似指数关 系。
42
3.二极管的其它主要参数
➢最大平均整流电流 : I F 允许通过的最大正向平均电流 ➢最高反向工作电压 : 最V大R 瞬时值，否则二极管击穿
1
18
半导体中某处的扩散电流 主要取决于该处载流子的浓 度差（即浓度梯度），而与 该处的浓度值无关。即扩散 电流与载流子在扩散方向上 的浓度梯度成正比，浓度差 越大，扩散电流也越大。
图1.6 半导体中载流子的浓度分布
1
19
即:某处扩散电流正比于浓度分布曲线上该点处的斜率
和。
dn( x) dx
dp ( x) dx
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，即构成 N 型半导体 (或称电子型半导体)。
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
1
10
原来晶格中的某些硅原子将 被杂质原子代替。 杂质原子与周围四个硅原子 组成共价键时多余一个电子。 这个电子只受自身原子核吸引， 在室温下可成为自由电子。
5价的杂质原子可以提供电子， 所以称为施主原子。
Problem: N型半导体是否呈电中性？
1
+4
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半导体器件的基础知识
1.1 半导体二极管
3．半导体二极管的主要参数 ． （1）最大整流电流 IF： ） 二极管长时间工作时允许通过的最大直流电流。 二极管长时间工作时允许通过的最大直流电流。 使用时应注意流过二极管的正向最大电流不能大于这个 数值，否则可能损坏二极管。 数值，否则可能损坏二极管。 （2）最高反向工作电压 VRM ） 二极管正常使用时允许加的最高反向电压。 二极管正常使用时允许加的最高反向电压。 使用中如果超过此值，二极管将有被击穿的危险。 使用中如果超过此值，二极管将有被击穿的危险。
1.2 半导体三极管
输出特性曲线
1.2 半导体三极管
输出特性曲线族可分三个区： 输出特性曲线族可分三个区： （1）截止区 ） 条件：发射结反偏或两端电压为零。 条件：发射结反偏或两端电压为零。 特点： 特点： IB = 0，IC = ICEO 。 ， （2）放大区 ） 条件：发射结正偏，集电结反偏。 条件：发射结正偏，集电结反偏。 特点： 特点： IC 受 IB 控制 ，即 ∆IC = β∆IB 。 在放大状态， 一定时， 变化， 在放大状态，当 IB 一定时，IC 不随 VCE 变化，即放大状态 的三极管具有恒流特性。 的三极管具有恒流特性。 （3）饱和区 ） 条件：发射结和集电结均为正偏。 条件：发射结和集电结均为正偏。 特点： 特点：VCE = VCES。 VCES 称为饱和管压降，小功率硅管约 0.3 V，锗管约为 0.1 V。 称为饱和管压降， ， 。
1.2 半导体三极管
1.2.1 半导体三极管的基本结构与分类
1．结构及符号 ． PNP 型及 NPN 型三极管的内部结构及符号如图所示。 型三极管的内部结构及符号如图所示。 三区： 发射区、 三区 ： 发射区 、 基 集电区。 区、集电区。 三极： 三极 ： 发射极 E、 、 基极 B、集电极 C。 、 两结： 发射结、 两结 ： 发射结 、 集 电结。 电结。 实际上发射极箭头 方向就是发射结正向电 流方向。 流方向。
半导体器件的基础知识
第一章半导体器件的基础知识半导体器件:二极管：二极管是由PN结构成的，具有单向导电性，正向导通；反向截至。
PN结的电流是P向N流。
硅二极管的死区电压为0.5V左右，锗二极管的死区电压为0.1V~0.2V。
硅二极管的导通电压约0.6V~0.7V，锗二极管的导通电压约0.2V~0.3V。
二极管的电压与电流变化不成线性关系，所以二极管属于非线性器件。
三极管：三极管是由两个紧靠在一起的PN 结组成的，按材料的不同分为PNP型和NPN型。
三极管有三个引脚，分别为发射极（E）、基极(B)、集电极（C）。
一般常用的三极管有80系列的，8050（NPN），8550(PNP)。
90系列的，9012、9015为PNP外，其余都为NPN。
电流放大电路：三极管的电流分配关系式：I E=I B+I C，也就是发射极电流=基极电流+集电极电流。
集电极电流的变化是基极电流变化量的59倍。
三极管的电流放大实际上是基极较小电流的变化，控制集电极电流较大的变化。
三极管的放大电路分为1共集电极放大、2共基极放大、3共发射极放大。
因为三极管也是PN结构成的，所以也是非线性器件，硅管导通电压也为0.7V,锗管为0.2V。
三极管的三种状态：1放大（发射结正偏，集电结反偏）。
NPN:I C>I B>I E PNP:I E>I B>I C2饱和（发射结和集电结都正偏）。
3截至（发射结和集电结都反偏）。
正偏：电流P向N流。
反偏：电流N向P流。
三极管是电流控制器件，就是输入电流控制输出电流的半导体器件。
三极管的输出特性曲线如图：三极管的检测：用数字万用表测量时，先把万用表的档位调到导通挡上，然后用表笔分别测量每两个引脚。
只要想着电流是P向N流的。
场效晶体管：是利用输入电压来控制输出电流的器件，称为电压控制型器件，它可分为结型和绝缘栅型两大类。
场效晶体管有三个电极，分别是漏极（D）、源极（S）和栅极（G）。
它们的D极和S极可交换使用。
模拟电子技术 华成英 童诗白常用半导体器件
图 01.09 势垒电容示意图
(2) 扩散电容 D 扩散电容C
扩散电容是由多子扩散后， 扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面 结的另一侧面 积累而形成的。 结正偏时， 积累而形成的。因 PN 结正偏时，由N区扩散到 P 区 区扩散到 的电子， 与外电源提供的空穴相复合， 形成正向电 的电子 ， 与外电源提供的空穴相复合 ， 形成正向 电 流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠 结的 区内紧靠PN结的 附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。 附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。 反之， 区扩散到N区的空穴 反之 ， 由 P区扩散到 区的空穴 ， 在 N区内也形 区扩散到 区的空穴， 区内也形 成类似的浓度梯度分布曲线。 成类似的浓度梯度分布曲线 。 扩散电容的示意图如 下图所示。 下图所示。
杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。 杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。 型半导体多子和少子的移动都能形成电流 但由于数量的关系， 但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。
近似认为多子与杂质浓度相等。 近似认为多子与杂质浓度相等。
§1.2 PN结及半导体二极管 结及半导体二极管
2.1.1 PN 结的形成
漂移运动 内电场E 内电场 + + + + N型半导体 型半导体
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － －
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽， 荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽。 荷区越宽。
模电考试模拟题（选择题部分）
选择题第一章 半导体器件l 在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于多数载流子的浓度主要取决于_______________，，而少数载流子的浓度则与而少数载流子的浓度则与__________有关。
有关。
A.A.温度温度温度B. B. B.掺杂工艺掺杂工艺掺杂工艺C. C. C.杂质浓度杂质浓度杂质浓度D. D. D.晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷l 当PN 结加正向电压时，扩散电流扩散电流_____________________漂移电流漂移电流漂移电流,,耗尽层耗尽层____________。
当PN 结外加反向电压时，扩散电流时，扩散电流_____________________漂移电流漂移电流漂移电流,,耗尽层耗尽层____________。
A.A.大于大于大于B. B. B.小于小于小于C. C. C.等于等于等于D. D. D.变宽变宽变宽E. E. E.变窄变窄变窄F. F. F.不变不变不变第二章l 为了使输出电阻较高的放大电路与低电阻负载很好的配合，可以在它们之间插入____； 为了把输出电阻较低的放大电路转变为输出电阻很高的放大电路，可以接入_____。
A 共射电路共射电路 b ．共集电路．共集电路 c ．共基电路．共基电路 d ．任何一种组态的电路．任何一种组态的电路l 设单级放大电路输入一个正弦波信号，当放大电路为共射电路时，则V 0与V i 相位相位_____；当为共集电路时，则V 0与V i 相位______；当为共基电路时，则V 0与V i 相位______。
A 相同相同B 相反相反C 相差900 D 相差2700l 既能放大电压，也能放大电流的是_____组态放大电路；可以放大电压，但不能放大电流的是_____组态放大电路；只能放大电压，但不能放大电流的是_____组态放大电路。
a ．共发射极．共发射极 b ．共集电极．共集电极 c ．共基极．共基极l 在共射、共集和共基三种组态的放大电路中，电压放大倍数小于“1”的是____组态；组态； 输入电阻最大的是____组态；输入电阻最小的是____组态。
半导体物理(第一章)
波矢k与自由电子波矢意义相似，具有量子数的作用，描述晶 体中电子共有化运动的量子状态。
3、布里渊区与能带
求解薛定谔方程可得出在晶格周期势场中运动的电子的 能量-动量（E～k)关系曲线。
当 k n ，(n=0, ±1, ±2…) 时，能量出现不连续——形成允带和
a 禁带。
允带出现的区域称为布里渊区。从k=0处向k>0和k<0延伸，分别有 第一布里渊区、第二布里渊区……，每一个布里渊区对应一个能带。
体的V(x)是很困难的。
研究发现，电子在周期性势场中运动的基本特点和自由电 子的运动十分相似。
1、自由电子的运动状态
V(x)=0。求解薛定谔方程可以得出：
( x) Ae-ikx
2k 2 E
k为波矢，k的大小为
k
2
2m0
（第六版以前的教材中的定义与此不同）
根据德布罗意关系，电子的能量、动量与频率、波矢之间 的关系为
1.2 半导体中的电子状态和能带
1.2.1 原子能级和晶体能带
单晶半导体是由按确定规律周期排列的原子构成，相邻原 子之间的间距只有几个埃，原子密度非常大。对于c-Si，原 子密度高达5×1022cm-3。所以，单晶半导体中电子的能量状 态与孤立原子中的一定不同，但可以想象，一定存在着某种 联系。
单个原子中电子的壳层排布为1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10……， 但多个原子密集排布在一起时，相似壳层对应的能级会发生 交叠——电子变为在整个晶体中运动——电子的共有化运动。 最外壳层电子的共有化最显著！
电子状态用波函数x描述， x满足薛定谔方程（假设
为一维单个电子）：
2 2m0
d2 dx 2
V (x) (x)
E (x)
3、布里渊区与能带
求解薛定谔方程可得出在晶格周期势场中运动的电子的 能量-动量（E～k)关系曲线。
当 k n ，(n=0, ±1, ±2…) 时，能量出现不连续——形成允带和
a 禁带。
允带出现的区域称为布里渊区。从k=0处向k>0和k<0延伸，分别有 第一布里渊区、第二布里渊区……，每一个布里渊区对应一个能带。
体的V(x)是很困难的。
研究发现，电子在周期性势场中运动的基本特点和自由电 子的运动十分相似。
1、自由电子的运动状态
V(x)=0。求解薛定谔方程可以得出：
( x) Ae-ikx
2k 2 E
k为波矢，k的大小为
k
2
2m0
（第六版以前的教材中的定义与此不同）
根据德布罗意关系，电子的能量、动量与频率、波矢之间 的关系为
1.2 半导体中的电子状态和能带
1.2.1 原子能级和晶体能带
单晶半导体是由按确定规律周期排列的原子构成，相邻原 子之间的间距只有几个埃，原子密度非常大。对于c-Si，原 子密度高达5×1022cm-3。所以，单晶半导体中电子的能量状 态与孤立原子中的一定不同，但可以想象，一定存在着某种 联系。
单个原子中电子的壳层排布为1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10……， 但多个原子密集排布在一起时，相似壳层对应的能级会发生 交叠——电子变为在整个晶体中运动——电子的共有化运动。 最外壳层电子的共有化最显著！
电子状态用波函数x描述， x满足薛定谔方程（假设
为一维单个电子）：
2 2m0
d2 dx 2
V (x) (x)
E (x)
半导体的基础知识与PN结(ppt 24页)
2、 P 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如 硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体(或称空穴型半导 体）。
空穴浓度多于自由电子浓度 空穴为多数载流子(简称多子）， 电子为少数载流子(简称少子)。
+3
(本征半导体掺入 3 价元素后，原来 晶体中的某些硅原子将被杂质原子 代替。杂质原子最外层有 3 个价电 子，3与硅构成共价键，多余一个空 穴。)
扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；
随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；
当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等于零， 空间电荷区的宽度达到稳定。
即扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，形成PN结。
P
PN结
N
二、 PN 结的单向导电性 空间电荷区变窄，有利
1. PN结 外加正向电压时处于导通于状扩态散运动，电路中有
外电场使空间电荷区变宽；
不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩 散电流，电路中产生反向电流 I ；
由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。
P
耗尽层
N
IS
内电场方向
外电场方向
V
R
图 1.1.7 PN 结加反向电压时截止
反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，
随着温度升高， IS 将急剧增大。
P
空间电荷区
N
—— PN 结，耗 尽层。
（动画1-3）
3. 空间电荷区产生内电场
空间电荷区正负离子之间电位差 Uho —— 内电场； 内电场阻止多子的扩散 —— 阻挡层。
4. 漂移运动 内电场有利 于少子运动—漂 移。
少子的运动 与多子运动方向 相反
阻挡层
《半导体物理第一章》课件
3
1.3.3 pn结的I-V特性
详细解释pn结的I-V特性曲线，包括正向和反向电流的变化。
1.4 光电应及其在太 阳能电池中的应用。
2 1.4.2 光电二极管
阐述光电二极管的原理 及其在通信和显示技术 中的应用。
3 1.4.3 光电池
讨论光电池的构造、工 作原理和应用领域。
1.5 半导体器件的制作技术
晶体生长
介绍半导体晶体生长方法和技 术，如Czochralski法和液相外 延。
晶体制备
讨论半导体晶体的切割、抛光 和清洗等制备工艺。
制作半导体器件
概述半导体器件制作的关键步 骤，包括光刻、扩散和金属沉 积等工艺。
1.6 总结与展望
1.6.1 半导体物理的应用前景
评估半导体物理在电子技术、通信和能源领域 的未来发展。
1.1 半导体材料的基本性质
半导体的定义
介绍半导体的定义，以及其与导体和绝缘体的区别。
半导体的基本性质
探讨半导体的导电性、禁带宽度、载流子等基本特性。
半导体的能带结构
解释能带理论，讨论导带与禁带之间的能量差异对电子行为的影响。
1.2 掺杂半导体
1.2.1 掺杂的概念
介绍半导体掺杂的概念，包 括n型和p 型半导体的区别。
《半导体物理第一章》 PPT课件
An engaging and comprehensive introduction to the fundamental properties of semiconductor materials and their applications in electronic devices.
1.2.2 正、负离子掺 杂
说明正、负离子掺杂对半导 体电子结构的影响。
半导体光电子学第1章 半导体中光子-电子的...
GaAs就是一种直接带隙半导体材料。它的晶体结构如图。
它属于闪锌矿结构。它与金刚石有相似的结构，每一个晶格点 阵上的原子与4个相邻的原子键合。它们的区别在于：在金刚 石结构中，每一个晶格点阵上的原子是相同的；而在闪锌矿结 构中，每一个晶格点阵上的原子与相邻的键合原子不同。 在GaAs晶体中，As是5价的，Ga是3价的。在晶体中，它们结合 所形成的键是由As原子和Ga原子最外层的s和p轨道杂化形成的。 每一个键有两个共有电子。
在间接带隙半导体中，导带电子与价带空穴如果直接复合就不 满足动量守恒定律。因此，间接带隙半导体导带电子与价带空 穴的复合必须借助复合中心。这个复合中心可以是晶体缺陷或 杂质，它处于价带顶上方的带隙中的Er处。当电子与空穴复合 时，电子首先被复合中心俘获，然后再与空穴复合。在俘获过 程中电子的能量和动量改变传递给晶格振动，即传递给声子。 这样会降低发光效率。所以，大多数发光装置都不采用这种材 料，而采用直接带隙半导体材料。
电子、空穴和有效质量
一个电子由价带跃迁至导带，就在价带留下
一个空量子状态，可以把它看成是带正电荷
的准粒子，称之为空穴（hole）。这个过程
是电子-空穴对的产生，反之电子由导带跃迁
至价带，价带内丢失一个空穴，是电子空穴 对的复合。二者为载流子。
半导体中一般采用电子的有效质量替代 电子的惯性质量，这样载流子的运动规 律就可以用经典力学方程来描述，起到 了简化作用，这是一种近似，称有效质 量近似，用 me表示。为了方便，空穴
(k i k f k p ) 0
ki k f
这说明，如果只有导带电子和价带空穴参与发射光子 的过程，导带电子和价带空穴必须具有相同的动量。
ki k f
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uGS I D I DO ( 1)2 UGS ( th)
I D 1mA I D 3mA or U GS 3.5V U GS 1.5V
恒流区:uGS＞UGS(th)
恒流区: uDS＞uGS - UGS(th)
UDS VDD I D ( RD + RS ) 7.5V
例 ： 已 知 GS(th) 2V , I D 0 1.9mA U RG 1 300k , RG 2 200k， RD 5k , RS 2.5k，VDD 15V 求 ：I D，U GS，U DS
RG2 VG VDD 6V RG1 + RG2
UGS VG I D RS
预夹断轨迹，uGD＝UGS（off）
可 变 电 阻 区
恒
iD几乎仅决 定于uGS
夹断电压
流
区
夹断区（截止区）
二、绝缘栅场效应管 1、N 沟道增强型 MOS 场效应管结构和符号 g s d SiO2 N+ N+
P 型衬底
B N沟 道EMO S工 作 的 外 部 条 件 ： B接电路最低电 uGS 0 (形 成 导 电 沟 道 ） 位或与S极相连 (保证源衬PN结 uDS 0 反偏)。
uGS
N沟道 (uGS＜0，uDS＞0) 结型 P沟道 (uGS＞0，uDS＜0) N沟道 (uGS＞0，uDS＞0) 场效应管 增强型 P沟道 (uGS＜0，uDS＜0) 绝缘栅型 N沟道 (uGS 极性任意， uDS＞0) 耗尽型 P沟道 (u 极性任意， u ＜0) GS DS
夹断点a点电压uGA =UGS(off)不变， VDD的增大，几乎全部加在夹断区 场效应管工作在恒流区的条件是什么？
3、转移特性
i D f(u GS ) U
DS
常 量
工作在恒流区的条件：
漏极饱 和电流
夹断 电压
U GS(off) u GS 0 u DS u GS U GS(off)
2、电压对电流的控制作用
N沟 道JFET 工 作 的 外 部 条 件 ： PN uGS 0 (保 证 栅 源 结 反 偏 ） PN uDS 0 (保 证 栅 漏 结 反 偏 ）
d
g 利用PN结的反偏电压有 效控制导电沟道的宽度， 从而有效控制电流
N P+ 型 P+ 沟 道
s
1）当UDS=0时，栅-源电压对导电沟道宽度的 控制作用
4、N 沟道耗尽型 MOS 场效应管 g s
++++++
d N+
N+
uGS=0时就存 正离子 在导电沟道 耗尽型MOS管在 uGS＞0、 uGS ＜0、 uGS ＝0时均 可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘 层的存在，在uGS＞0时仍保持g-s间电阻非常大的 特点。
B
uGS 2 在恒流区时， I DSS ( iD 1) U GS(off)
UGD = UGS(th)
UGD < UGS(th)
iD随uDS的增 大而增大， 可变电阻区
预夹断
iD几乎仅仅 受控于uGS， 恒流区
3、增强型N沟道MOS管特性曲线
开启 电压
uGS 2工作在恒流区的条件 在 恒 流 区 时 ， I DO ( iD 1) U GS(th) u GS U GS(th) 式 中I DO 为uGS 2U GS(th) 时 的iD u DS u GS U GS(th)
1.3 半导体场效应管 （Field Effect Transister ,FET)
一、结型场效应管 二、绝缘栅场效用管 三、FET的分类 四、电路模型
一、结型场效应管 1、结构
对应集电极
d 漏极 对应基极
栅极 g
N + 型 P+ P 沟 道 N
s 源极 N沟道结型场效应管结构图
对应三极 管发射极
iD(mA) UG/RS
耗尽型 增强型
结型
uGS (V) UGS(off )
UGS(off) UGS(th)
UG
2、小信号模型 g + ugs d gmugs rds
s
-
iD gm uGS
U DS
跨导，根据iD的表达式或 转移特性可求得gm ，一 般为几-几十毫西门子
沟道最宽
沟道变窄
沟道消失 称为夹断
UGS(off)为夹断电压,为负值
2）漏-源电压对漏极电流的影响(uGS > UGS(off), 且不变） uDS→iD线性 uGD>UGS(off)
预夹断 uGD=UGS(off)
a
uDS→iD几乎不变，进 入恒流区， iD几乎仅仅 决定于uGS。
uGD<UGS(off)
场效应管与晶体管的比较
BJT 结构 载流子 控制 NPN，PNP C与E一般不可倒置使用 多子扩散少子漂移 电流控制电流源CCCS FET JFET DMOS EMOS D与S有的型号可倒置使用 多子运动 电压控制电流源VCCS
输入电阻 小
温度特性 受温度影响大 集成工艺 不易大规模集成 静电影响 不受静电影响
夹断 电压
三.
场效应管的分类 g
d
g
d s PJFET d b G b
结型场效应管JFET:
s NJFET MOS场效应管MOSFET: d
g b G
d
b G
d
s NEMOS
s NDMOS
s PEMOS
s PDMOS
iD 结型 耗尽型 增强型 N沟道
UGS(off ) UGS(off)UGS(th)
在恒流区时 uGS 2 iD I DSS (1 ) U GS(off)
4、输出特性 PN结反偏，栅 极电流近似为零
输出特性：
+ mA iD + V UDS
i D f(uDS ) U
VDD
GS
常 量
VGS
+ V uGS
特性曲线测试电路
g-s电压控制d-s 的等效电阻 IDSS
大
受温度影响小 宜(超)大规模集成 易受静电影响
四、电路模型 1、大信号模型 恒流区
ID
D G
பைடு நூலகம்
IG=0 + UGS S
ID D ID(UGS )
G
S
ID
D G G
IG0 + UGS
S
ID
D
RDS(UGS )
可变电阻区
S
ID
D G G
IG0
ID 0
D
截止区
S
S
VDD RG1
RG2 RS RD
2、电压对电流的控制作用
1）当UDS=0时，栅-源电压对导电沟道宽度的 控制作用 大到一定值沟道才形成， 该值叫开启电压UGS(th) VGS s g d 栅-源电压越大， N+ 导电能力越强 N+
P 型衬底
B
反型层
2）uDS 对iD的影响（设uGS ＞uGS(th)且不变）
UGD > UGS(th)
I D 1mA I D 3mA or U GS 3.5V U GS 1.5V
恒流区:uGS＞UGS(th)
恒流区: uDS＞uGS - UGS(th)
UDS VDD I D ( RD + RS ) 7.5V
例 ： 已 知 GS(th) 2V , I D 0 1.9mA U RG 1 300k , RG 2 200k， RD 5k , RS 2.5k，VDD 15V 求 ：I D，U GS，U DS
RG2 VG VDD 6V RG1 + RG2
UGS VG I D RS
预夹断轨迹，uGD＝UGS（off）
可 变 电 阻 区
恒
iD几乎仅决 定于uGS
夹断电压
流
区
夹断区（截止区）
二、绝缘栅场效应管 1、N 沟道增强型 MOS 场效应管结构和符号 g s d SiO2 N+ N+
P 型衬底
B N沟 道EMO S工 作 的 外 部 条 件 ： B接电路最低电 uGS 0 (形 成 导 电 沟 道 ） 位或与S极相连 (保证源衬PN结 uDS 0 反偏)。
uGS
N沟道 (uGS＜0，uDS＞0) 结型 P沟道 (uGS＞0，uDS＜0) N沟道 (uGS＞0，uDS＞0) 场效应管 增强型 P沟道 (uGS＜0，uDS＜0) 绝缘栅型 N沟道 (uGS 极性任意， uDS＞0) 耗尽型 P沟道 (u 极性任意， u ＜0) GS DS
夹断点a点电压uGA =UGS(off)不变， VDD的增大，几乎全部加在夹断区 场效应管工作在恒流区的条件是什么？
3、转移特性
i D f(u GS ) U
DS
常 量
工作在恒流区的条件：
漏极饱 和电流
夹断 电压
U GS(off) u GS 0 u DS u GS U GS(off)
2、电压对电流的控制作用
N沟 道JFET 工 作 的 外 部 条 件 ： PN uGS 0 (保 证 栅 源 结 反 偏 ） PN uDS 0 (保 证 栅 漏 结 反 偏 ）
d
g 利用PN结的反偏电压有 效控制导电沟道的宽度， 从而有效控制电流
N P+ 型 P+ 沟 道
s
1）当UDS=0时，栅-源电压对导电沟道宽度的 控制作用
4、N 沟道耗尽型 MOS 场效应管 g s
++++++
d N+
N+
uGS=0时就存 正离子 在导电沟道 耗尽型MOS管在 uGS＞0、 uGS ＜0、 uGS ＝0时均 可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘 层的存在，在uGS＞0时仍保持g-s间电阻非常大的 特点。
B
uGS 2 在恒流区时， I DSS ( iD 1) U GS(off)
UGD = UGS(th)
UGD < UGS(th)
iD随uDS的增 大而增大， 可变电阻区
预夹断
iD几乎仅仅 受控于uGS， 恒流区
3、增强型N沟道MOS管特性曲线
开启 电压
uGS 2工作在恒流区的条件 在 恒 流 区 时 ， I DO ( iD 1) U GS(th) u GS U GS(th) 式 中I DO 为uGS 2U GS(th) 时 的iD u DS u GS U GS(th)
1.3 半导体场效应管 （Field Effect Transister ,FET)
一、结型场效应管 二、绝缘栅场效用管 三、FET的分类 四、电路模型
一、结型场效应管 1、结构
对应集电极
d 漏极 对应基极
栅极 g
N + 型 P+ P 沟 道 N
s 源极 N沟道结型场效应管结构图
对应三极 管发射极
iD(mA) UG/RS
耗尽型 增强型
结型
uGS (V) UGS(off )
UGS(off) UGS(th)
UG
2、小信号模型 g + ugs d gmugs rds
s
-
iD gm uGS
U DS
跨导，根据iD的表达式或 转移特性可求得gm ，一 般为几-几十毫西门子
沟道最宽
沟道变窄
沟道消失 称为夹断
UGS(off)为夹断电压,为负值
2）漏-源电压对漏极电流的影响(uGS > UGS(off), 且不变） uDS→iD线性 uGD>UGS(off)
预夹断 uGD=UGS(off)
a
uDS→iD几乎不变，进 入恒流区， iD几乎仅仅 决定于uGS。
uGD<UGS(off)
场效应管与晶体管的比较
BJT 结构 载流子 控制 NPN，PNP C与E一般不可倒置使用 多子扩散少子漂移 电流控制电流源CCCS FET JFET DMOS EMOS D与S有的型号可倒置使用 多子运动 电压控制电流源VCCS
输入电阻 小
温度特性 受温度影响大 集成工艺 不易大规模集成 静电影响 不受静电影响
夹断 电压
三.
场效应管的分类 g
d
g
d s PJFET d b G b
结型场效应管JFET:
s NJFET MOS场效应管MOSFET: d
g b G
d
b G
d
s NEMOS
s NDMOS
s PEMOS
s PDMOS
iD 结型 耗尽型 增强型 N沟道
UGS(off ) UGS(off)UGS(th)
在恒流区时 uGS 2 iD I DSS (1 ) U GS(off)
4、输出特性 PN结反偏，栅 极电流近似为零
输出特性：
+ mA iD + V UDS
i D f(uDS ) U
VDD
GS
常 量
VGS
+ V uGS
特性曲线测试电路
g-s电压控制d-s 的等效电阻 IDSS
大
受温度影响小 宜(超)大规模集成 易受静电影响
四、电路模型 1、大信号模型 恒流区
ID
D G
பைடு நூலகம்
IG=0 + UGS S
ID D ID(UGS )
G
S
ID
D G G
IG0 + UGS
S
ID
D
RDS(UGS )
可变电阻区
S
ID
D G G
IG0
ID 0
D
截止区
S
S
VDD RG1
RG2 RS RD
2、电压对电流的控制作用
1）当UDS=0时，栅-源电压对导电沟道宽度的 控制作用 大到一定值沟道才形成， 该值叫开启电压UGS(th) VGS s g d 栅-源电压越大， N+ 导电能力越强 N+
P 型衬底
B
反型层
2）uDS 对iD的影响（设uGS ＞uGS(th)且不变）
UGD > UGS(th)